詹姆斯·韦伯望远镜如何从百万英里外向地球发回大量数据？

据TechCrunch报道，美国宇航局（NASA）刚刚披露了詹姆斯·韦伯太空望远镜的第一批全彩图像，从令人敬畏的星系深场到一个遥远的系外行星大气层的微小特征。但是，百万英里外的航天器是如何将数十GB的数据传回地球的呢？

首先让我们来谈谈图像本身。这些不是普通的JPEG图片--而且韦伯也不是普通的相机。像任何科学仪器一样，韦伯从它的仪器、两个高灵敏度的近红外和中红外传感器以及大量的附件中捕捉和发送大量的原始数据，这些附件可以根据需要将它们专门用于光谱学、日冕仪和其他任务。

TechCrunch以最近发布的第一批图像中的一张为例，进行直接比较。

哈勃望远镜更能与传统的可见光望远镜相媲美，它在 2008 年拍摄了这张船底座星云的照片：

当然，这是一张令人难以置信的图像。但是哈勃更类似于传统的可见光望远镜，更重要的是它是在1990年发射的。从那时起，技术已经发生了一些变化。

下面是韦伯的同一区域的版本：

对任何观众来说，即使是看这些小的版本，韦伯的版本也有明显的细节。星云的“薄纱质地”被分解成了复杂的云层和雾状物，更多的恒星和可能的星系都清晰可见。

让我们放大一个区域，以强调所捕捉到的细节水平，从中心向左和向上：

哈勃的图像约为2350万像素，未经压缩时为32MB。韦伯的图像（处理后提供的）约为123MB和137MB。这是约四倍的数据，但即使这样也不能说明全部问题。韦伯的规格要求它以哈勃25倍的吞吐量发回数据--不仅是更大的图像，而且是更多的图像......来自3000倍远的地方。

哈勃处于低地球轨道，距离地面约340英里。这意味着与它的通讯其实很简单--你的手机可以可靠地从更远的GPS卫星上获得信号，而对于NASA的科学家来说，在这么近的轨道上来回传递信息是小菜一碟。

另一方面，韦伯望远镜位于第二拉格朗日点，即L2，距离地球约100万英里，直接远离太阳。这是月球所能达到的距离的四倍，在某些方面是一个更困难的命题。下面是美国宇航局的一个动画，显示了这个轨道的样子。

幸运的是，这种类型的通信远非史无前例；科学家们已经从更远的地方发送和接收了大量的数据。而且知道韦伯和地球在任何时候的确切位置，所以虽然这不是小事，但实际上只是为这项工作挑选合适的工具，并进行非常仔细的安排。

从一开始，韦伯号就被设计为在无线电波的Ka波段上传输，在25.9千兆赫的范围内，远远超出了其他卫星通信所使用的范围。(例如，星链也使用Ka波段，以及其他围绕该区域的波段）。

那个主要的无线电天线能够每秒发送约28兆比特，这与家庭宽带速度相当--如果来自你的路由器的信号花了约五秒钟穿过一百万英里的真空到达你的笔记本电脑。

这使得它每天有大约57 GB的下行链路容量。有第二根天线在较低的S波段运行--令人惊讶的是，与蓝牙、Wi-Fi和车库门开启器使用的波段相同--保留给低带宽的东西，如软件更新、遥测和健康检查。如果你对具体细节感兴趣，IEEE Spectrum有一篇很好的文章，更详细地介绍了这一点。

不过，这并不是一个恒定的流，因为地球旋转和其他事件可能会干扰。但是因为他们处理的大多是已知的变量，韦伯团队提前四五个月就计划好了他们的接触时间，通过深空网络转发数据。韦伯号可能会在同一天捕获数据并发送，但捕获和传输都是在很久以前就计划好的。

有趣的是，韦伯号内部只有大约68 GB 的存储空间，如果它能发送57 GB ，你会认为这将使人们感到紧张--但它有足够多的机会来卸载这些数据。

“让数据以颜色显示出来”

进入传感器的数据是红外线的，这超出了人类可以看到的狭窄的颜色带。当然，科学家们使用很多方法来看到这个波段之外的东西，例如X射线，科学家们通过让它们撞击胶片或校准过的数字传感器来捕获并以我们能看到的方式查看。这对韦伯来说也是一样的。

“望远镜并不是真正的点阵相机。所以它不像我们可以只拍一张照片，然后就有了，对吗？它是一个科学仪器。所以它的设计首先是为了产生科学结果，”太空望远镜科学研究所的乔-德帕斯夸尔在美国宇航局的播客中解释道。

它所探测到的并不是人类可以解析的真正数据，更不用说直接感知了。首先，它的动态范围是超乎想象的--这意味着最暗和最亮的点之间的幅度差异。基本上没有什么比空间的无限空白更暗，也没有比爆炸的太阳更亮的东西。但是，如果你有一张包括这两者的图像，在几个小时内拍摄，你最终会在数据中出现巨大的暗和亮之间的差距。

DePasquale说：“它基本上看起来像一个黑色的图像，里面有一些白色的斑点，因为它有如此巨大的动态范围。我们必须做一些叫做拉伸数据的事情，这就是把像素值和排序重新定位，基本上，这样你就可以看到那里的所有细节。”

在你以任何方式反对之前，首先要知道，这基本上是所有图像产生的方式--光谱的一个选择被切割出来，并适应人们非常有能力但也有限的视觉系统的观看。因为我们不能看到红外线，而且在这些频率上没有红、蓝、绿的对应物，所以图像分析员必须做复杂的工作，将数据的客观使用与主观理解的感知和实际上的美结合起来。颜色可能对应于类似顺序的波长，或者也许被分割开来，以更合理地突出那些"看起来"相似但发出巨大不同辐射的区域。

“我们喜欢在，你知道，在天体摄影的成像界喜欢把这个过程称为‘代表色’，而不是过去所说的，仍然有很多人称之为‘假彩色图像’。我不喜欢'假彩色'这个词，因为它有这样的含义，即我们在伪造它，或者这不是真的看起来像什么；数据就是数据。我们不是去哪里应用，就像在图像上画颜色。我们从头到尾都在尊重数据。我们允许数据通过颜色来显示。”

如果你看一下上面的图片，这两个星云的视图，考虑一下它们是从同一个角度，在差不多相同的时间拍摄的，但是使用了不同的仪器，捕获了不同的红外光谱段。尽管最终两者都必须以RGB显示，但通过检查更高的波长所发现的不同天体和特征，可以通过这种有创意但又科学严谨的颜色分配方法使之可见。

当然，当数据作为数据比作为视觉表现更有用时，还有更抽象的方法来看待它。

一颗遥远的系外行星的图像可能只显示了一个点，但光谱图显示了其大气层的细节，正如你在上面的这个例子中看到的那样。

收集、传输、接收、分析和展示像韦伯这样的数据是一项复杂的任务，但现在它已经开始运行，数百名研究人员正兴高采烈地投身其中。预计将有更多创造性和迷人的方式来显示这些信息--随着韦伯刚刚开始它的任务，在一百万英里之外，我们有很多期待。